CÂMPOS DE BOTUCATU
AVALIAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS E LÍQUIDOS NUM SISTEMA
DE ABATE DE BOVINOS
MARINA MOURA MORALES
Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP – Campus de Botucatu, para obtenção do título de Mestre em Agronomia – Área de concentração em Energia na Agricultura.
AVALIAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS E LÍQUIDOS NUM SISTEMA
DE ABATE DE BOVINOS
MARINA MOURA MORALES
Orientador: Prof. Dr. Jorge de Lucas Júnior
Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP – Campus de Botucatu, para obtenção do título de Mestre em Agronomia – Área de concentração em Energia na Agricultura.
DEDICO
À Deus por me guiar e trazer-me serenidade, paciência e determinação e por estar ao meu lado todo o tempo.
À toda minha família por me acompanhar nessa caminhada com dedicação, carinho, amor e muita torcida.
Aos meus pais Luiz Carlos Morales e Maria Elizabeth Morales ao meu tio José Cláudio Moura, a minha manuxa Lílian Moura Morales e minha querida e amada avó, Irene Matielo Moura com todo o amor.
TOCANDO EM FRENTE
“Ando devagar porque já tive pressa e levo esse sorriso,porque já chorei demais Hoje me sinto mais forte, mais feliz quem sabe
eu só levo a certeza de que muito pouco eu sei, que nada sei
Conhecer as manhas e as manhãs, o sabor das massas e das maçãs, É preciso amor pra poder pulsar, É preciso paz pra poder seguir,
É preciso a chuva para florir. Sinto que seguir a vida seja simplesmente conhecer a marcha, e ir tocando em frente como um velho boiadeiro levando a boiada, eu vou tocando os dias pela longa estrada eu vou,
de estrada eu sou
Cada um de nós compõe a sua própria história, e
Cada ser em si, carrega o dom de ser capaz, de ser feliz”.
AGRADECIMENTOS
À Faculdade de Ciências Agronômicas UNESP Botucatu/SP ao Departamento de Energia Rural e à Faculdade de Ciências Agronômicas e Veterinária Campus de Jaboticabal/SP (UNESP) e ao Departamento de Engenharia Rural, pela acolhida e incentivo.
Ao abatedouro de bovinos Bertin AS, pela colaboração e incentivo ao trabalho.
Ao Conselho Nacional de Pesquisa CNPq, pelo suporte financeiro durante todo o curso de pós-graduação.
Ao Professor Dr. Jorge de Lucas Junior, pela orientação.
Ao coordenador e secretária do Programa de Pós-graduação Energia na Agricultura Professor Dr. Zacarias Xavier de Barros e a Rosângela Cristina Moreci pelo apoio.
Aos amigos do Laboratório de Biodigestão Anaeróbia, Cris, Adriane, Carla, Luizinho, Marquinhos, Francisco, Irmãos Fiapo e José, por transformarem meu ambiente de trabalho em lugar tão agradável e alegre. Me lembrarei do companheirismo bom humor e amizade com muita saudade.
Aos amigos que me acompanharam nesta caminhada, Mauro, Luiz Fernando, Welington, Massao, Luiz Henrique, Ana Paula, Carol, Maria Luciana, Jú, Tamylla, DDD, Girardi, Henrique, Paulo, Tavico, Paraná, Vivi, Franzinha, Keli, Andressa, Hugo, Arlindo, Tânia.
Aos amigos em Botucatu Ana Tereza, Arthur, Pota, Ana Bia, Luiza, Lucila, Mocotó, Adriano, Jairo, Akuda, Eloneida e Maria do Carmo.
Aos grandes amigos em Jaboticabal, Cris, Ruchele, Adriane, Tidão, Rosketa, Migalha, Jagunça, Lili pela amizade sincera.
Á toda minha família, Vó Irene, Vô José, Lílian, Tio Cláudio, Tia Terezinha, Melissa, Marcela, Tio Jura, Tia Maria Inês, Eliane, Marcos, Enzo, Lú, Fernando, Andréia, Tio Chico, Tia Norma, Ian, Tio Jonas, Gú, Gui, Jú, Tio Valdir, Raoni, Nauara, Vó Margarida, Tio Tato, Tio Jaiminho, Vô José, Tio Isauro, Tia Fina, Maninho, Lú, Débora. Bárbara, Edilene, Olavo, Solange, Lara, Livia Hélio, Sueli, Tio Orlando, Tia Vitória, Ivan, Guta, neném, Patrícia, e Zilda pelo amor, atenção, torcida e principalmente por serem tão presentes.
Em especial ao meu pai Luiz Carlos Morales, minha mãe Maria Elizabeth Moura Morales pelo amor e dedicação, por estarem sempre ao meu lado.
BIOGRAFIA DO AUTOR
SUMÁRIO
Página
Lista de Figuras... ix
Lista de Tabelas ... x
RESUMO... 1 SUMMARY... 3 1.INTRODUÇÃO... 1.1.Objetivos... 5 6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 2.1. Desenvolvimento da Bovinocultura no Brasil... 2.2. Processamento de Bovinos, Aspectos e Impactos Ambientais... 2.3. Processo de reciclagem e aproveitamento dos resíduos em abatedouro de bovinos...
2.3.1. Compostagem... 2.3.2. Biodigestão Anaeróbia... 2.3.2.1. Fatores que influenciam na biodigestão anaeróbia... 2.3.2.2. Biogás... 2.3.2.3. Biofertilizante...
3.2.1.3.5. Fósforo... 3.2.1.3.6. Poder calorífico superior... 3.2.2. Ensaio II – Caracterização dos resíduos líquidos... 3.2.2.1. Avaliação dos resíduos líquidos... 3.2.2.2. Caracterização dos tratamentos da água residuária... 3.2.2.3. Determinações... 3.2.2.3.1. DQO... 3.2.2.3.2. DBO... 3.2.2.3.3. Salmonella sp ... 3.2.2.3.4. Ovos de Helmintos... 3.2.2.3.5. Número mais provável de coliformes fecais e totais... 3.3. Análise Estatística....……….……….
39 40 40 40 42 42 42 43 43 44 44 44 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 4.1.Compostagem... 4.1.1. Temperatura... 4.1.2. Aeração... 4.1.3. Relação C/N... 4.1.4. Nutrientes... 4.1.5. Matéria orgânica... 4.1.6. Caracterização do resíduo sólido ... 4.1.7. Estimativa da redução de volume... 4.1.8. Processamento das leiras... 4.2. Perspectivas para uso do resíduo sólido... 4.3. Caracterização da água residuária...
LISTA DE FIGURAS
Página
1 - Exportação de carne bovina pelo Brasil (indstrialização + in natura)... 8
2 - Taxa geral de abate bovino no Brasil... 9
3 - Fluxograma de abate de bovinos... 10
4 - Processo de compostagem... 17
5 - Esquema de três estágios para degradação anaeróbia completa... 25
6 - Forma de transporte dos resíduos para confecção das leiras... 35
7 - Forma de mensuração do volume das leiras... 36
8 - Proporção do composto peneirado em malha de 1x1cm... 36
9 - Fluxograma do sistema de tratamento de água residuária do abatedouro de bovinos... 41
10 - Temperatura médias diárias e ambientes nas leiras verão e outono... 47
11 - Fases de decomposição dos resíduso nos períodos verão e outono... 49
12 - Variação da concenração de macronutrinetes N,P e K durante a compostagem no verão e outono... 51 13 - Variação das concentrações dos nutrientes Ca, Mg, Zn, Cu, Fe, Mn e Na durante o processo de compostagem, no período de verão... 51
14 - Variação das concentrações dos nutrientes Ca, Mg, Zn, Cu, Fe, Mn e Na durante o processo de compostagem, no período de outono... 52
15 - Variação da matéria orgânica durante a compostagem nos períodos verão e outono... 53 16 - Resíduo sólido “in natura”... 55
17 - Resíduo sólido compostado... 55
LISTA DE TABELAS
Página
1 - Parâmetro e níveis de matéria-prima para compostagem... 18
2 - Consumos típicos para diversos equipamentos... 30
3 - Alguns valores de produtividade de biogás... 30
4 - Propriedades gerais do húmus e seus efeitos associados ao solo... 32
5 - Temperaturas médias semanais, temperaturas médias no período e temperaturas máximas obtidas durante a compostagem, nos períodos verão e outono, em ºC... 46
6 - Teores médios de N, P, K, Ca, Mg, Fe, Co, Cu, Na, Mn e Zn em g kg-1 na matéria seca... 53
7 - Características químicas da matéria orgânica total (MOT), matéria orgânica resistente a compostagem (MORC) e matéria orgânica compostável (MOC) nos períodos verão e outono... 54
8 - Caracterização do acompanhamento da compostagem... 56
9 - Coeficientes de correlação de Pearson, entre as variáveis ST, MO, N, Corg, P, K, Ca, Mg, Zn, Cu, Fe, Mn, Na, CN de compostagem de resíduos sólidos de abatedouro de bovinos avaliada no inverno e verão... 57
10 - Volume médio (m3) das leiras ao longo do ciclo de compostagem e porcentagem de redução final... 59 11 - Peso e umidade inicial e final do conteúdo ruminal enleirado e do composto, em quilogramas e porcentagem, nas estações verão e outono... 60
12 - Rendimento do composto, em porcentagem, das leiras conduzidas no verão e no outono... 60
13 - Poder calorífico superior em base seca dos resíduos in natura e com agregação de 10%, 20%, 30% e 40% gordura... 61
afluente das lagoas de polimento e efluentes das lagoas de polimento. Foram avaliados os teores de sólidos totais (ST) e de sólidos voláteis (SV), pH, demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e quantificação dos teores N, P, K, Ca, Mg, Co, Fe, Cu, Zn, Mn, além dos elementos Na e Ni. No afluente e efluente das lagoas de polimento foram analisados ainda, ovos viáveis de helmintos, Salmonella sp. e coliformes totais e fecais.
No que se refere à compostagem, as leiras conduzidas no outono tiveram uma redução 10% a maior que as conduzidas no verão, com temperaturas médias de 40ºC no verão e 33ºC no outono. Quanto às características químicas do composto os resultados indicaram que os compostos produzidos no verão e no outono são diferentes, porém ambos apresentaram potencialidade para a utilização na fertilização de solos. Os resíduos “in natura”, quando secos e ou adicionados à gordura residual possuem elevado poder calorífico superior, indicando que podem ser utilizados como combustível. Para os resíduos líquidos, a biodigestão anaeróbia poderia ter apresentado resultados mais satisfatórios, o que não ocorreu em virtude dos biodigestores estarem em fase de partida. Não houve ocorrência de ovos viáveis de helmintos e de Salmonella sp. nas amostras analisadas e os valores de coliformes totais e fecais apresentaram-se abaixo do permitido pela resolução CONAMA 357/05.
SOLID RESIDUES EVALUATION AND LIQUID RESIDUES IN A CATTLE SLAUGHER SYSTEM RECICLING. Botucatu, 1991.85p.
Dissertação (Mestrado em Agronomia/Energia na Agricultura) – Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista
Author: MARINA MOURA MORALES Adviser: JORGE DE LUCAS JUNIOR
SUMMARY
slaughtering process, at 0%, 10%, 20%, 30% and 40% concentrations. The second experiment was done collecting eight small samples per sample at the residue treatment process: before floater, after floater, before sieve, after sieve, biodigestor effluent 1, biodigestor effluent 2, polishing pond affluent, and polishing pond effluent. TS, VS, pH, Chemical Oxygen Demand, (COD) Biochemical Oxygen Demand (BOD), N, P, K, Ca, Mg, Co, Fe, Cu, Zn, Mn elements quantification plus affluent and polish pond effluent Na and Ni content. Viable helminth eggs, Salmonella sp., total and fecal coliform were analyzed in the polish pond affluent and effluent. About the autumn compost piles, they had 10% more volume reduction than the summer ones. The average temperatures were 40ºC during summer and 33ºC during autumn. Composts produced during summer and autumn had different chemical quality. However, both presented soil use potential as organic fertilizer to soils. The “in natura” residues had superior calorific power when was added fat or when was dried, indicating they can be used as fuel. To the liquid residues, anaerobic digestion could have presented more satisfactory results if the biodigestors were not in starting phase. There were neither viable helminth eggs nor Salmonella sp. occurrence in the analyzed samples and the total and fecal coliform Most Provable Number (MPN) were lower than permitted by the Brazilian law (CONAMA 357/05).
1. INTRODUÇÃO
A crescente demanda pela produção de alimentos, fez com que a agropecuária moderna vem acentuando a sua participação nos impactos provocados ao ambiente. Cada vez mais, torna-se necessário o desenvolvimento de sistemas de produção sustentáveis que a UNESCO (1995) definiu como aquele que permite atender às necessidades presentes sem comprometer a capacidade das futuras gerações em responder às suas próprias necessidades.
O crescente aumento do abate de bovinos no Brasil, com conseqüente aumento de resíduos sólidos (conteúdo ruminal) e líquidos (água residuária) os abatedouros têm procurado se adequar às exigências da Legislação Ambiental.
Na busca em atender esta demanda, diversos sistemas vêm sendo implementados para tratamento e destinação mais adequada dos resíduos. Pela análise do fluxograma de produção devem-se realizar estudos para adequar quais são os procedimentos mais apropriados e quais condições de manejo que melhor atende ao tratamento e à disposição dos resíduos.
Os sistemas de tratamento por biodigestão anaeróbia e compostagem, são particularmente apropriados para esses resíduos, além da combustão direta do resíduo sólido, uma vez que atendem às suas particularidades, além de incrementar a economia racionalizando o uso dos recursos naturais, com redução no consumo de água e energia promovendo a reciclagem dos resíduos.
sólido é a combustão direta, com agregação de sebo, também produzido no processo, sendo uma boa alternativa na geração de energia.
Para os resíduos líquidos, gerados em abundância cujas características mostram elevado teor de umidade, a biodigestão anaeróbia é adequada, pois dispensa o acréscimo de água e de quantidades consideráveis de nutrientes, que são essenciais para o desenvolvimento e manutenção dos microrganismos que participam do processo.
Baseado na relevância da necessidade de se caracterizar e avaliar os processos e produtos dos tratamentos aplicados nos resíduos gerados no abatedouro de bovinos serão avaliados a biodigestão anaeróbia dos resíduos líquidos, compostagem e combustão direta dos resíduos sólidos.
1.1. Objetivos
Os principais objetivos são encontrar soluções que reforcem os procedimentos biosustentáveis no tratamento e disposição final dos resíduos de abatedouro de bovinos através das seguintes atividades:
o Avaliar as características dos resíduos gerados em um sistema comercial de
abatedouro de bovinos;
o Avaliar o processo de biodigestão anaeróbia utilizando-se como substrato a
água residuária do abatedouro de bovinos;
o Avaliar o processo de compostagem, utilizando os resíduos sólidos do
abatedouro de bovinos;
o Avaliar os produtos dos tratamentos de biodigestão anaeróbia e
compostagem com ênfase para biofertilizante e biocomposto quanto à sua aplicação agrícola;
o Avaliar a combustão direta do resíduo sólido “in natura” seco com
Antigamente no Brasil o sistema de criação de bovinos era essencialmente extensivo. O aumento da demanda de carne pelo mercado consumidor em quantidade e qualidade obrigou a uma melhora na forma de produção adotando meios mais intensivos nos quais os animais são criados meios de lotação em pasto ou em confinamento.
No que se refere à produção de alimentos de origem animal, observa-se que as formas empregadas para atendimento das demandas têm levado a aumentos nas densidades populacionais nas unidades produtoras e à regionalização dessas atividades (LUCAS JR., 1994). Assim, há maior geração de resíduos de origem animal o que eleva o potencial poluidor, concentrados em determinadas regiões.
De acordo com Cesar (2001), a produção de carne veio crescendo à medida que as cidades foram tomando corpo e o país tinha que buscar alimentos de origem protéica para a população. O abate ficou restrito ao consumo local, o transporte e a industrialização da carne começaram a ganhar moldes modernos no início da década de 30.
A estimativa para o novo milênio é de crescimento dos negócios com carne bovina, impondo mudanças na produção, na pesquisa, nas ações de política, de
marketing e, principalmente de comportamento do consumidor, tanto interno como
externo, cada vez mais exigente pela ação de ambientalistas e de órgãos da vigilância sanitária.
sanitária e o Brasil tornou-se um grande exportador, principalmente de carne industrializada (ZEN, 2000), como é representado na Figura 1.
.
Figura 1. Exportação de carne bovina pelo Brasil (industrializada + in natura) de 1993 a 2002. Fonte: ANUALPEC (2003).
Figura 2- Taxa geral de abate bovino no Brasil.
Fonte: ANUALPEC (2003).
O crescimento vertiginoso das exportações de carne (Figura 1) levou o Brasil a competir com mercados de outros países, principalmente, a Austrália, Argentina e os Estados Unidos.
As relações internacionais se tornam cada vez mais competitivas à medida que melhoramos nossos produtos e alcançamos mercados expressivos como o Oriente Médio e a Ásia. Para isso grandes obstáculos devem ser transpostos, tais como barreiras sanitárias, melhoria da malha viária, organização industrial, entre outros (BARBOZA et al., 2005).
2.2. Processamento de bovinos, aspectos e impactos ambientais.
O segmento industrial da cadeia produtiva de carne bovina compreende setores distintos o produtivo e o de abate. As empresas que normalmente atuam no abate de animais, são os abatedouros e os abatedouros-frigroíficos com processamento e industrialização de carnes.
aproveitamento completo de todas as matérias-primas e preparo de subprodutos não comestíveis e operam sob inspeção sanitária.
Já os abatedouros-frigoríficos são estabelecimentos dotados de instalações completas e de equipamentos modernos para processamento (manipulação, elaboração e preparo) e conservação das espécies de açougue sob variadas formas, com aproveitamento completo e racional de produtos não comestíveis; possui instalações de frio industrial e operam sob inspeção sanitária (PIGATTO,2001).
O ciclo de processamento de bovinos começa com a chegada de gado vivo nos currais. O gado é pesado e inspecionado para verificação de defeitos e doenças. Em seguida, é conduzido para a sala de abate onde é feito o atordoamento mecânico. Posteriormente é pendurado, pela traseira, em um transportador aéreo e levado para a remoção do vômito. Em seguida é feita a sangria, por meio de corte dos grandes vasos do pescoço, retirado o sangue e realizada a remoção do couro, cabeça e mocotó. Na evisceração a carcaça é aberta com serra elétrica manual e as víceras retiradas. Após a lavagem, utilizando água quente, as carcaças são encaminhadas a câmaras frias ou a desossa. O esquema de abate de bovinos é apresentado na Figura 3 ( SCARASSATI, 2003).
Figura 3- Fluxograma de abate de bovinos
As águas residuárias de abatedouros-frigoríficos de bovinos segundo Giordano (2004) são constituídas de:
- Água de banho: É a água utilizada para lavar e acalmar os animais antes do abate cujos, efluentes contém pequena quantidade de esterco e terra.
- Limpeza de currais: Primeiramente é feito a raspagem dos sólidos em seguida os currais são lavados, produzindo-se efluentes que contém terra e esterco.
- Lavagem da sala de sangria: A maior parte do sangue e consequentemente da carga orgânica é carregada neste ponto, por lavagem contínua.
- Lavagem do vômito: É a lavagem feita anteriormente a sala de sangria.
- Lavagem da carcaça: É a limpeza das vísceras e das carcaças, gerando efluente constituído de sangue, de esterco e conteúdo ruminal, sendo os dois últimos em maior quantidade.
- Limpeza dos equipamentos: É a lavagem das instalações do matadouro durante o abate e como limpeza final.
Além desses efluentes temos outros em maior volume provenientes da graxaria e do cozimento
- Limpeza da graxaria: São águas de condensação dos digestores e de drenagem dos decantadores de graxas.
- Águas de cozimento: São as águas provenientes do cozimento na fabricação de embutidos.
Scarassati (2003) efetuou consultas a fabricantes e técnicos no setor de equipamentos para abatedouro e frigoríficos, observando que o consumo de água varia muito de um abatedouro e frigorífico para outro, sendo difícil estimar um valor aproximado. Entretanto utilizou cálculo baseado por cabeça de bovino, chegando a um consumo de 2500 l, assim distribuídos: 900 l na sala de matança; 1000 l nas demais dependências como bucharia, triparia, miúdos, sanitários, etc. e 600 l nos anexos externos como pátios e currais, incluindo a lavagem de caminhões.
Indiscutivelmente o efluente de abatedouros é responsável por uma imagem negativa do público em relação a esses estabelecimentos e as autoridades sanitárias vêm nele o grande poluidor dos mananciais das águas de abastecimento.
Entre os efluentes de indústrias alimentícias, os que mais preocupam são os dejetos de abatedouros e frigoríficos, que possuem altos valores de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) oscilando de 800 a 32.000 mg/l (BRAILE, 1993) de acordo com o reaproveitamento das vísceras, mas principalmente do sangue que apresenta DBO entre 150.000 e 200.000 mg/l (PARDI et al., 1993) e DQO (Demanda Química de Oxigênio) de 375.000 mg/l ( TRITT e SCHUCHARDT, 1992).
Portanto, a eficiência de recuperação do sangue durante o processo de sangria é considerada a medida mais importante para reduzir a DBO e DQO dos efluentes. PARDI et al. (1993) revelaram que quando a recuperação não é realizada, o aporte de sangue ao efluente é de aproximadamente 15 a 20 litros, por bovino abatido, por esta razão e pelo seu valor como subproduto, o sangue deve ser sistematicamente beneficiado.
Segundo Scarassati (2003) mesmo com funcionamento satisfatório das caixas de retenção, os teores de sólido em suspensão e de nitrogênio orgânico são relativamente altos com DBO calculada de 800 a 32.000 mg/l. Devido a sua constituição, com presença de gorduras e proteínas, apesar de ambas serem biodegradáveis, são dotadas de alta putrecibilidade, com início de decomposição em poucas horas liberando cheiro nauseabundo, o que torna extremamente desagradável a atmosfera nas cercanias de tais estabelecimentos (PRATA, 1999).
As águas residuárias de abatedouros também são ricas em nitrogênio e fósforo que quando atingem cursos de água naturais, alteram as características do corpo receptor, favorecendo a proliferação de algas e o desenvolvimento e decomposição desordenada destas, que consomem o oxigênio da água, inviabilizando a sobrevivência da flora e da fauna (LUCAS JR., 1994).
Ademais, o nitrogênio orgânico pode representar um sério risco a saúde da população humana e animal, quando for transformado pelos processos de amonificação e nitrificação, em nitrato. O risco torna-se ainda maior se considerada a utilização dos resíduos de abatedouros diretamente como fertilizantes, possibilitando a contaminação das fontes profundas de água, onde o nitrato, hidrossolúvel, poderá atingir níveis muito altos (APHA, 1995).
O consumo de nitrato através das águas de abastecimento está associado a dois efeitos adversos à saúde: a ocorrência da metahemoglobinemia, especialmente em crianças, e a formação potencial de nitrosaminas e nitrosamidas, compostos que apresentam propriedades carcinogênicas, teratogênicas e mutagênicas (BOUCHARD et al., 1992).
O desenvolvimento da metahemoglobinemia depende da conversão bacteriana do nitrato para nitrito durante a digestão, o que pode ocorrer na saliva e no trato gastrintestinal (AWWA, 1990). A metahemoglobinemia é um estado em que a hemoglobina é reduzida mediante oxidação por nitrito, do seu estado ferroso (Fe2+) de transportador de oxigênio para um estado férrico (Fe3+), incapaz de se ligar reversivelmente ao oxigênio e, desse modo, inadequada à função de transporte e liberação de oxigênio desempenhadas pelo sangue e pela hemoglobina, durante o processo de respiração (WATKINS et al., 2000).
A presença de metais pesados nos efluentes de abatedouros também deve ser considerada (BERNAL et al., 1992; NICHOLSON et al., 1999). Estes metais podem permanecer no solo e provocar problemas de fitotoxicidade e percolarem ou serem transportados pela água da chuva, causando a contaminação de fontes de água subterrâneas e superficiais.
receptoras impróprias para a vida aquática e para qualquer tipo de abastecimento, agrícola, comercial, industrial ou recreativo. Nestes casos, o efluente do abatedouro se constitui, como agente de poluição das águas, em ameaça à saúde pública.
Atualmente existe grande preocupação com os rumos que a crise da água irá tomar, pois, apesar da superfície da Terra ser coberta de água, apenas 1% é própria para consumo. Além do problema do desperdício e do consumo que no mundo dobra a cada 20 anos, segundo a Organização das Nações Unidas (ONU), o lançamento constante de poluentes decorrentes das atividades humanas e industriais em mananciais superficiais de água, sem capacidade de assimilá-los, torna suas reservas impróprias para o consumo, valorizando ainda mais essa diminuta parcela de 1% (FERREIRA, 2005).
Segundo Seganfredo (2004), a preocupação com o meio ambiente, a ação dos ambientalistas e a divulgação da mídia, estão tornando os consumidores cada vez mais exigentes quanto aos produtos ambientalmente corretos. A cada dia mais, o mercado consumidor exige não apenas preços competitivos, mas também produtos de qualidade e oriundos de sistemas auto-sustentáveis e não poluidores. Essa nova realidade de mercado resulta numa crescente pressão sobre os empreendimentos para a reciclagem dos dejetos dentro de padrões aceitáveis sob o ponto de vista sanitário, econômico e ambiental.
O mesmo autor afirma que, segundo a norma ISO 14.000, somente pode ser considerado como tecnologia limpa, o sistema que não cause danos ambientais em nenhuma fase do processo, desde a sua produção até o destino de seus resíduos. Disso resulta que a reciclagem dos dejetos se constitui em parte integrante dos sistemas de criação de animais.
O manejo adequado dos resíduos deve ser uma preocupação a mais para a agroindústria, por envolver qualidade, comércio e ainda, interferir nos custos de investimento e retorno, que são fatores importantes para a produção lucrativa.
Os fertilizantes químicos, por exemplo, perdem grande quantidade de nutrientes para a água e solo, causando grande impacto ambiental, além de desperdício de dinheiro. Nesse sentido, pesquisadores e produtores têm sugerido a utilização dos resíduos da agroindústria entre eles o do abatedouro de bovinos como adubo orgânico, visando o aproveitamento dos resíduos produzidos, a reciclagem de nutrientes e a diminuição dos gastos com fertilizantes (SANTOS, 1997).
produzir grande quantidade de conteúdo ruminal ainda produz grande quantidade de sebo, que pode ser agregado à massa do conteúdo ruminal, para aumentar seu poder calorífico, formando briquetes.
Silva (2003) utilizou lodo de esgoto e óleos residuais provenientes da indústria alimentícia gorduras e outros ácidos graxos e mesmo óleos lubrificantes, que constituem grave problema ambiental, na formação de briquete obtendo como produto um material com bom poder calorífico, semelhante ao da lenha e do bagaço de cana, sendo encaminhados para câmara de combustão.
Independente da origem, todo resíduo poderá ter seu descarte minimizado, mediante uma análise abrangente de suas características, potenciais de uso e conseqüências desse uso, pois se corretamente manejado e utilizado, se revertem em fornecedores de nutrientes para produção de alimentos, melhoradores das condições físicas, químicas e biológicas do solo e apresentam excelente potencial para reciclagem energética (PREZZOTO, 1992; GENEROSO, 2001).
Paralelamente aos problemas ambientais, há de se considerar, ainda, a crise energética pela qual passa o país e o mundo. A agroindústria moderna é inviável sem o uso de energia e as recentes modificações nos preços dos combustíveis derivados do petróleo e os constantes problemas no fornecimento de energia elétrica, têm motivado procura por alternativa energética no meio rural, quer seja para os processos de produção ou para o fornecimento de condições mínimas de conforto nas propriedades de exploração agropecuária, como forma de incrementar a produção e tentativa de fixação do homem no campo (NOGUEIRA et al., 1999).
O interesse pelo tratamento anaeróbio, de resíduos líquidos e sólidos provenientes da agropecuária e da agroindústria, tem aumentado nos últimos anos, por apresentar vantagens significativas quando comparado aos processos comumente utilizados de tratamento aeróbio de águas residuárias, ou aos processos convencionais de compostagem de resíduos orgânicos sólidos.
De acordo com Paula Jr. (1995), os benefícios apresentados pelo tratamento anaeróbio são: ausência de equipamentos sofisticados, menor consumo de energia, baixa produção de lodo a ser disposto e produção de metano, utilizável energeticamente.
(UASB) apresenta melhor performance que o filtro anaeróbio no que tange aos valores de DQO, atingindo eficiência de remoção de até 90%, porcentagens de remoção entre 90 e 95%.
Desta forma, o melhor sistema de tratamento de resíduos de abatedouros deve ser projetado para minimizar o impacto ao meio ambiente e maximizar a recuperação dos recursos energéticos e fertilizantes que estes contêm, com o objetivo de aproveitá-los no aumento da produtividade.
A utilização do processo de biodigestão anaeróbia, na produção animal, mostrou-se viável, não apenas por produzir gás combustível, o biogás (rico em metano), bem como fornecer ao meio, adubo estabilizado, o biofertilizante, contribuindo desta forma, para a diminuição da poluição no meio rural, como emissão de metano e dióxido de carbono para a atmosfera, contaminação de solos, água subterrânea e de superfície.
A correta destinação dos resíduos, através da produção de adubo e recuperação de energia como agregação de valor aos resíduos, são imperativos para os setores altamente produtores de rejeitos e grandes consumidores de energia como as atividades de produção animal.
Essa consciência, tomou forma na Eco 92, quando se chegou à conclusão de que as mudanças climáticas estavam tomando proporções alarmantes, mudanças essas na época, diretamente proporcionais ao desenvolvimento econômico.
Em 1997, quando foi proposto o Protocolo de Kyoto, o qual definiu parâmetros para a redução das emissões de carbono na atmosfera, foi criado um
instrumento para reduzir a emissão de gases causadores do aquecimento global e o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), com isso o carbono tornou-se uma
commodity (FERREIRA, 2005).
Apesar da obrigação de criação de mecanismos para a redução de emissão de gases poluentes e atendimento das metas estabelecidas por Kyoto serem dos governos, os agentes privados exercem papel fundamental no processo e são responsáveis pela implantação dos projetos de MDL e pela negociação dos créditos de carbono.
2.3. Processo de reciclagem e aproveitamento dos resíduos gerados em abatedouros 2.3.1. Compostagem
A palavra compostagem é um neologismo do nosso idioma, tradução de “composting” do inglês. Trata-se de um processo natural de decomposição biológica da matéria orgânica de origem animal ou vegetal, pela ação de microorganismos e enzimas, resultando na fragmentação gradual e oxidação da matéria orgânica formando fertilizante orgânico parcialmente humificado. A Figura 4 (BUDZIAK et al., 2004; KIEHL, 2005) ilustra como participam desse ataque uma infinidade de microrganismos como bactérias, fungos, actinomicetos, protozoários, algas, além de vermes, insetos e suas larvas; como resultado dessa intensa digestão da matéria orgânica por esses organismos, haverá liberação de elementos químicos, como nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio e magnésio, os da forma orgânica, dita imobilizada, que passam para a forma de nutrientes minerais, dita
mineralizada, disponível às plantas (KIEHL, 1985).
Figura 4- Processo de compostagem.
Energia outros
CO NH
R
Norg ⎯microrgani⎯⎯⎯smos⎯→ − 2 + 2 + + Eq. (I)
A etapa seguinte é a amonificação, também realizada por microrganismos heterótrofos e pode ser resumida pelas equações (II) e (III):
Energia OH R NH O H NH
R− 2 + 2 ⎯microrgani⎯⎯⎯smos⎯→ 3 + − + Eq.(II)
− +
+ →
+H O NH HO
NH3 2 4 Eq. (III)
A nitrificação é realizada por microrganismos autotróficos, que usam nitrogênio mineral como fonte de energia, e pode ser esquematizada pelas Equações (IV) e (V):
Energia H O H NO O
NH+ +3 ⎯nitrossomo⎯⎯⎯⎯nas→2 − +2 +4 + +
2 4 2 2 2 Eq. (IV)
Energia NO
O
NO2− + 2 ⎯nitrobacte⎯⎯⎯r→2 3− +
2 Eq. (V)
Os principais parâmetros da matéria-prima para compostagem e seus respectivos valores estão representados no Tabela 1.
Tabela 1 – Parâmetros e níveis de matéria-prima para compostagem.
PARÂMETRO NIVEL PARÂMETRO NIVEL
MATÉRIA ORGÂNICA NITROGÊNIO TOTAL
Abaixo de 50% Baixo Abaixo de 1% Baixo
Entre 51 e 60% Médio Entre 1,1 e 1,4% Bom
Acima de 61% Alto Acima de 1,5% Ótimo
UMIDADE pH
Abaixo de 50% Baixo Entre 3,5 e 4,5 Normal
Entre 51 e 60% Bom Acima de 5,5 Bom
Acima de 61% Excessivo
RELAÇÃO C/N GRANULOMETRIA
Abaixo de 20/1 Baixo Peneira 35 mm Ótimo
Entre 25 e 35/1 Bom Peneira 22 mm Bom
Acima de 60/1 Elevado Peneira 11 mm Excessivo
A compostagem consiste num processo biológico de decomposição controlada da fração orgânica biodegradável contida nos resíduos, de modo que resultem em um produto estável (SOUZA, 2005), similar à matéria orgânica contida no solo (ZBYTIEWSKI e BUSZEWSKI, 2005) e pode ser considerado um material condicionador dos solos.
As macromoléculas sintetizadas pelos microrganismos têm duas funções: fonte de material orgânico e de energia, pois podem gerar de 4 a 5 cal/g. Os microorganismos requerem fonte de energia na forma de carbono biodegradável, nitrogênio e umidade para prosperar durante o processo de compostagem (KEENER et. al., 2000). Os nutrientes, principalmente o carbono e o nitrogênio, são fundamentais ao crescimento bacteriano. Para a população de microorganismos, a principal fonte de energia são os carboidratos de baixo peso molecular absorvidos pela membrana (SMITH, 1982). Compostos como a lignina e celulose são oxidados pelos microorganismos para a produção de energia metabólica, quando mortos tornam-se fonte de carbono para o metabolismo do novo grupo de microorganismos atuantes (PELAÉZ et al., 2004). Essa é a premissa que direciona as possibilidades da utilização ecológica de alguns tipos de resíduos orgânicos (AUBAIN et al., 2002).
A eficiência da fertilização orgânica, utilizando compostos, dependem do sistema e da forma como se executa o processo de preparo do composto e das matérias primas utilizadas (CINTRA, 2005).
Os componentes orgânicos biodegradáveis passam por etapas sucessivas de transformação sob ação de diversos grupos de organismos selvagens principalmente, bactérias, fungos e actinomicetos resultando num processo biológico altamente complexo.
Sendo a compostagem um processo biológico, os fatores mais importantes que influem na degradação do material orgânico são: aeração, nutrientes, relação C/N, granulometria das partículas e umidade. A temperatura também é um fator importante, principalmente no que diz respeito à rapidez do processo de biodegradação e a eliminação de patógenos, porém é resultado da atividade microbiana (SILVA e MAGALHÃES, 2001; CINTRA, 2005).
A relação C/N caracteriza o equilíbrio dos substratos; os microorganismos absorvem os elementos carbono e nitrogênio em uma proporção de trinta partes de carbono para cada parte de nitrogênio; o carbono é utilizado como fonte de energia, sendo dez partes incorporadas ao protoplasma celular e vinte partes eliminadas na forma de gás carbônico; o nitrogênio é assimilado na estrutura para a síntese de proteínas na proporção de dez partes de carbono para uma de nitrogênio; daí a razão do húmus, que é um produto exclusivamente resultante da ação desses organismos, ter a mesma relação C/N igual a 10/1 (KIEHL, 1985).
Segundo Silva (2001), a falta dos elementos carbono e nitrogênio limitam a atividade microbiológica. Ao final da compostagem, a relação C/N deve situar-se entre 20 e 10/1. Se superior a 20 os microorganismos do composto podem reter o nitrogênio da terra, necessário às plantas. Já para relação C/N inferior a 18, o composto está curado.
Segundo Kiehl (1979), com a relação C/N menor que 17/1 inicia-se o processo de humificação, a síntese de húmus e, ao mesmo tempo, começa a sobrar nitrogênio mineral e com a relação entre 12/1 e 8/1 começa a oxidação do húmus (mineralização), um processo muito lento.
Por ser um processo biológico de decomposição da matéria orgânica, a presença de água é indispensável para as necessidades fisiológicas dos organismos, os quais não vivem sem a presença de umidade; no entanto, devido à necessidade de água e ar ao mesmo tempo, torna-se necessário encontrar limites mínimos e máximos que os resíduos devem apresentar para que sejam atendidos esses dois fatores (KIEHL, 1985).
A circulação de ar na massa do composto é fundamental para a rapidez e a eficiência do processo. A areação deve atender a elevada demanda por oxigênio da compostagem, com o risco de limitar a atividade microbiana e prolongar o ciclo.
Uma pilha de composto apresenta porcentagens variáveis de oxigênio no ar encontrado nos seus espaços vazios; a camada mais externa, que reveste a pilha, geralmente contém de 18 a 20% de oxigênio, quase tanto quanto o atmosférico, cujo conteúdo gira em torno de 21% em volume; caminhando-se para o interior da pilha, o teor de oxigênio vai baixando e o de gás carbônico se elevando; assim, a partir de uma profundidade maior que 60 centímetros o teor de oxigênio baixa até 0,5% a 2%, na base e no centro da pilha. Considera-se que na fase termófila o conteúdo mínimo de oxigênio deve ser de 5,0% para garantir a decomposição aeróbia, que além de decompor mais rapidamente a matéria orgânica, não produz mal odor nem atrai vetores como é o caso da decomposição anaeróbia (KIEHL, 1985).
Outros nutrientes como os macroelementos fósforo (P), potássio (K), enxofre (S), cálcio (Ca) e manganês (Mn), e os microelementos como o ferro (Fe), zinco (Zn), magnésio (Mg), sódio (Na), cobalto (Co), cobre (Cu), cloro (Cl) etc., necessários para a atividade microbiana, normalmente estão presentes nos resíduos orgânicos em quantidade suficiente.
No que se refere à estrutura, sabe-se que os microporos da massa de granulometria fina significam grande área exposta ao ataque microbiano, provocando adensamento, dificultando a circulação de ar e em texturas muito grosseiras, proporciona excessiva porosidade. Admite-se a porosidade entre 30% e 36%, com condições ótimas de compostagem, e partículas com tamanho entre 20mm e 50mm (SILVA et al., 2001)..
A comunidade microbiana, mais diversificada acelera a multiplicação dos microorganismos e conseqüentemente a compostagem, sendo assim recomendado a utilização de inoculantes como esterco animal ou rumem bovino em alguns resíduos como borra de café, por exemplo (KIEHL, 1985).
A temperatura também deve ser controlada e corrigida, quando necessário. Se até o quarto dia após o início do processo, a temperatura não se encontrar no intervalo de 40ºC a 60ºC, um ou mais parâmetros físico-químicos não devem estar adequados, exigindo, portanto, a correção (SILVA, 2001).
O processo de compostagem inicia-se pelo desenvolvimento de microorganismos mesófilos, com a elevação gradativa da temperatura. No intervalo de temperatura entre 40 e 45ºC diminui a população mesófila, instalando-se a termófila, muito ativa, e elevando a temperatura entre intervalos de 60ºC e 70ºC, provocando intensa degradação da matéria orgânica, alto consumo de oxigênio, e eliminando grande parte dos
organismos patogênicos. Quando baixa a temperatura, progressivamente, até atingir a temperatura ambiente, está concluída a etapa de estabilização, na qual os componentes orgânicos mais frágeis foram biodegradados, a população termófila se restringe, a atividade global se reduz de maneira significativa e os mesófilos se instalam novamente. Na segunda fase da maturação, muito mais lenta, ocorre a humificação, com predominância de transformações químicas (COSTA, 1999; KIEHL, 1998).
A duração das fases depende das condições da compostagem e dos resíduos utilizados. Em reator biológico, os fatores físico-químicos são controlados e as diferenças de temperatura permitem separar bem as fases. O tempo para compostagem é de 40 a 60 dias para o composto semicurado, bioestabilizado e de 90 a 110 dias para a completa maturação ou humificação.
Húmus é matéria orgânica homogênea, totalmente bioestabilizada, de cor escura e rica em partículas coloidais que, quando aplicada ao solo, melhora suas características físicas e químicas para uso agrícola (SOUZA, 2005).
De acordo com Teixeira et al. (2004), o desenvolvimento de técnicas apropriadas para compostagem viabiliza o uso de lixo urbano e resíduos da agroindústria na produção de composto orgânico.
Em grandes usinas, o processo geralmente é o de leira estática aerada, com ventilação natural. O oxigênio é fornecido à massa da compostagem pela passagem do ar através de um túnel de ventilação, sobre o qual é montada a leira. Esse processo requer certa homogeneidade do material para uma efetiva dissipação das altas temperaturas na fase ativa de degradação.
Além do material a ser compostado, adicionam-se outros substratos orgânicos tais como, capim, caroço de açaí, capa de palmito, serragem, entre outras fontes ricas em carbono, para ajuste da relação C/N, como também para melhorar a estrutura física da leira, oferecendo-lhe real capacidade de aeração.
de cimento assentados com juntas abertas para drenar a água e permitir a passagem do ar; os tijolos ficam apoiados nos bordos de canaletas próprias para recolher o caldo que venha a escorrer e para fornecer ar ao composto. Outro sistema consiste em distribuir tubulações perfuradas pelo piso do pátio de compostagem e depois montar sobre esses canos, as pilhas de composto e a seguir, injeta-se ou aspira-se ar ou ainda, alternadamente comprimindo e aspirando ar (KIEHL, 1985).
A compostagem é a forma de processamento de resíduos orgânicos mais consistente e que melhor se adapta à dinâmica cíclica do planeta, com relação aos elementos naturais que retornam ao meio ambiente após seu uso, pois permite a produção e reprodução ambientalmente equilibrada de bens e insumos necessários à vida humana.
2.3.2. Biodigestão Anaeróbia
Nos processos anaeróbios ou, nos sistemas de biodigestão anaeróbia, a degradação da matéria orgânica envolve a atuação de microorganismos procarióticos anaeróbios facultativos e obrigatórios, cujas espécies pertencem aos grupos de bactérias hidrolíticas-fermentativas, acidogênicas, acetogênicas e metanogênicas.
A bioconversão da matéria orgânica poluente com produção de metano requer a cooperação entre culturas bacterianas como ilustrado no esquema da Figura 5.
Na atividade microbiana anaeróbia em biodigestores, como também em habitats naturais com formação de metano como nos sedimentos aquáticos, sistema gastrointestinal de animais superiores, pântanos, etc., o que se observa é a ocorrência da oxidação de compostos complexos, resultando nos precursores do metano, acetato e hidrogênio.
Os organismos da biodigestão anaeróbia apresentam um elevado grau de especialização metabólica. A eficiência do processo anaeróbio depende, portanto, das interações positivas entre as diversas espécies bacterianas, com diferentes capacidades degradativas.
Segundo Nogueira (1986), a matéria orgânica é digerida na ausência de ar, a degradação das moléculas orgânicas complexas pode ser acompanhada em três estágios: o primeiro é conhecido por liquefação; a matéria prima em forma sólida é fracionada pelo efeito de enzimas produzidas pelas bactérias e dissolvida na água circundante, de modo a se tornar utilizável pelas bactérias. É difícil distinguir esse do estágio seguinte, denominado estágio de formação de ácidos, quando temos algumas moléculas que são degradadas diretamente, sem liquefação.
As bactérias que realizam essa fase produzem uns poucos compostos, que são os produtos finais do seu metabolismo. Além do ácido acético, são formados alguns outros ácidos voláteis, como ácido propiônico e butírico, dióxido de carbono e hidrogênio também são liberados. Após as bactérias terem consumido todo o nutriente possível da matéria orgânica, passam a consumir produtos residuais de suas próprias células, constituídas de proteínas e carboidratos. As bactérias formadoras de ácidos podem ser anaeróbias ou facultativas, isto é, vivem na presença ou não de oxigênio. Elas são importantes não só para produzirem substratos para as bactérias anaeróbias, como também por eliminarem quaisquer traços de oxigênio dissolvido que tenha aparecido no material orgânico.
No terceiro estágio as bactérias metanogênicas, como as dos gêneros
Metanobacterium e Metanococcus, começam a sua atividade onde termina a das bactérias
formadoras de ácidos. Existe alguma dúvida sobre quais produtos finais da fase de formação de ácidos que são utilizados pelos formadores de metano, mas é quase certo que mais de 79% de todo o metano formado na digestão anaeróbia provém da descarboxilação do acetato, como apresentado na Equação (VI).
− −
+ →
+ 2 4 3
3COO H O CH HCO
CH Eq. (VI)
E o restante do metano formado é a partir do dióxido de carbono e do hidrogênio apresentados na Equação (VII).
O H CH H
HCO
H2 3 4 3 2
Qualquer que seja a taxa de produção de um digestor, estas duas formas de produção de metano são essenciais.
Borzan et al., 2001, mostra um esquema em três estágios para a degradação anaeróbia completa Figura 5.
Figura 5 – Esquema de três estágios para degradação anaeróbia completa.
Fonte: BORZANI et al., 2001.
Alguns exemplos de reações que acontecem nos biodigestores anaeróbios, de acordo com a Equações (VIII), (XI) e (X):
1. Conversão da glicose em metano e dióxido de carbono:
+ −
+ +
→
+ H O CH HCO H
O H
C6 12 6 3 2 3 4 3 3 3 Eq. (VIII)
2. Conversão da glicose em acetato e hidrogênio
2 3
3 2
6 12
6H O 4H O 2CH COO 2HCO 4H 4H
3. Acetogênese do hidrogênio e dióxido de carbono
O H COO CH H
HCO
H2 2 3 3 4 2
4 + −+ + → − + Eq. (X)
2.3.2.1. Fatores que influenciam a biodigestão anaeróbia
Apesar de a digestão anaeróbia ser um processo natural, sua otimização se torna difícil, devido, principalmente, à dificuldade de se controlar, em nível de campo, diversos fatores como temperatura, pH, teor de sólidos, tempo de retenção e composição do substrato, entre outros (LUCAS JR., 1987).
Lima et al.(2001) menciona aspectos que podem ser aplicados na fase de partida de biodigestores para incremento da produção do biogás: a quantidade, qualidade e concentração do inóculo, a adaptação do inoculo ao resíduo e o aumento gradual na concentração do resíduo a ser tratado. A qualidade do inóculo influência o início de operação do biodigestor, sendo que o total de biomassa bacteriana, adaptado ao novo resíduo contém substâncias de difícil hidrólise ou tóxicas.
A temperatura exerce influência sobre a maior ou menor velocidade do processo Turzo et al. (1984), divide a temperatura em três faixas; a termofílica entre 50 a 70ºC, a mesofilica entre 20 a 45ºC e a psicrofílica abaixo de 20 ºC. As temperaturas mais usuais estão na faixa mesofílica, pois, apesar de na faixa termofílica as velocidades de fermentação serem maiores, o processo é mais sensível e o custo de manutenção mais elevado.
A faixa de pH ótimo em dejeto de suínos observado por Lucas Jr., (1987), foi de 6,5 a 7,7, em termo do ótimo que é de 7,2.
Fatores de operação de biodigestores, dos quais depende o rendimento do processo são definidos a partir de dois parâmetros: do teor de sólidos totais (ST) que devem estar próximos a 8% e tempo de retenção, que é o período, em dias ou
horas, que o substrato correspondente a uma carga permanece no interior do biodigestor. Os valores ótimos do tempo de retenção e carga orgânica podem ser alterados
drasticamente se forem alteradas as condições, tanto do resíduo, como operacionais.
menores que para estrume de bovinos de corte e de leite, com valores, respectivamente iguais a 2,5; 4,8; 8,1; e 10,7 g. SV/l.dia.
Para que se tenha um bom crescimento de biomassa celular das bactérias responsáveis pela metanização e, como conseqüência, um bom desenvolvimento no processo de biodigestão anaeróbia, é necessário que haja disponibilidade de alguns nutrientes, sendo nitrogênio, fósforo, carbono e enxofre, os mais importantes, além de micronutrientes.
Os teores limitantes de minerais, como ferro, níquel, cobalto e molibdênio, além de vitaminas e aminoácidos, têm efeitos mais evidentes no início de operação do biodigestor, isto é, apresentam influência na formação da biomassa celular. Há que se ressaltar que estes estudos, como substrato para biodigestores rurais, foram realizados a partir de resíduos com baixo teor de sólidos, que não é o caso do esterco encontrado no meio rural, onde os maiores problemas, relacionam-se com o surgimento de compostos tóxicos (amônia, sulfetos, ácidos) durante o processo e não com a carência de nutrientes (LUCAS JR., 1987).
Mccary e Mckinney (1961), citam a amônia como um dos mais importantes tampões presentes nos biodigestores em operação, e que a sua presença em altas concentrações, pode ser a causa da paralisação do processo fermentativo assim como o excesso de alguns nutrientes em virtude do desequilíbrio entre as diversas fases da degradação anaeróbia da matéria orgânica.
Para o sucesso da biodigestão, a relação C/N do material orgânico de abastecimento deve ser aproximadamente 16:1; pois biodigestores operando com substrato de baixa relação C/N, exibem menores produções de biogás, assim como se tornam altamente tamponáveis e mais estáveis (LUCAS JR, 1987).
A consciência de que o tratamento de resíduos produzidos pelas diferentes atividades agropecuárias é de vital importância para a saúde pública e para o combate à poluição, tem levado a necessidade de desenvolver sistemas que combinem alta eficiência e custos baixos de construção e operação (STEIL et al. 2002). Neste sentido a biodigestão anaeróbia é sugerida como uma alternativa viável.
Diferentemente de lagoas de estabilização, cujo principal objetivo é a estabilização da matéria orgânica, as lagoas de polimento tem como foco a remoção de organismos patogênicos.
Uma lagoa de polimento alimentada com efluente digerido em reator UASB recebe uma carga reduzida de matéria orgânica e material coloidal, com baixa turbidez. Conseqüentemente, a penetração da luz solar será profunda, acelerando a fotossíntese e a produção de oxigênio para oxidação do material orgânico (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).
Na lagoa de polimento a baixa taxa de oxidação, isto é, estabilização da matéria orgânica, associada à alta taxa de produção fotossintética de oxigênio leva à prevalência da fotossíntese sobre a oxidação bacteriana, pois as taxas relativas aos dois processos são determinadas principalmente pelas condições de transparência, irradiação solar, temperatura, profundidade da lagoa.
A influência da baixa profundidade está relacionada à maior penetração de energia luminosa em toda massa d’água levando oo aumento da fotossíntese com mais oxigênio dissolvido, além da maior penetração da radiação ultravioleta, a qual é bactericida e possivelmente a profundidade baixa diminui a estratificação térmica, mantendo a camada do fundo em contato com toda a massa líquida (MASCARENHAS, 2002).
O funcionamento das lagoas de polimento em série apresenta vantagens, especialmente nos casos onde se queira altos níveis de remoção de coliformes. Um sistema de lagoas em série, com tempo de retenção hidráulica total, possui maior eficiência de remoção de coliformes do que uma lagoa única como mesmo tempo de retenção (CAVALCANTI et al., 2001).
Por esta razão o objetivo principal das lagoas de polimento deixa de ser a estabilização da matéria orgânica e passa a ser a remoção de patógenos.
2.3.2.2. Biogás
ao gás o ligeiro odor de ovo podre. Essa variação de composição se dá de acordo com o material adicionado no biodigestor (NOGUEIRA, 1986).
O biogás é um gás combustível, devido à presença de metano com teor médio de 60%, apresentando poder calorífico inferior (PCI) de cerca de 5500 kcal/m3 . Pode ser utilizado na produção de gás combustível, e para fins domésticos, rurais ou industriais (CARIOCA e ARORA, 1984) ou até, ser simplesmente queimado, para reduzir o efeito estufa causado pelo metano e os danos causados a atmosfera, pela formação de monóxido de carbono em presença de luz como apresentados pelas Equações (XI), (XII), (XII), (XIV) e (XV).
O H C H HO
CH4(g) + • → 3 •+ 2 Eq. (XI)
• •
→
+O H COO
C
H3 2 3 Eq. (XII)
2 3
3COO NO H CO NO
H • + → • + Eq. (XIII)
• •
+ →
+O H CO HOO
CO
H3 2 2 Eq. (XIV)
2 2CO h CO H
H +
ν
↔ + Eq. (XV)Onde hν = Energia de radiação
A Equação (XV) mostra a origem do monóxido de carbono na atmosfera, gás prejudicial à camada de ozônio (MANAHAN , 1994).
Tabela 2 – Consumos típicos para diversos equipamentos
Equipamento ou
aplicação Característica Consumo médio
Lampião Camisa de 100
velas
0,13 m3 h-1
Fogão Queimador 2”
Forno
0,32 m3 h-1 0,44 m3 h-1 Geladeira Porte médio 2,20 m3 dia-1
Motor Ciclo OTTO 0,45 m3 (HP hora)
-1
Chuveiro a gás Por banho 0,80 m3
Incubadeira Volume interno 0,60 m3 h-1 Campânula para pintos 1500 Kcal 0,162 m3 h-1
Cozimento Por pessoa 0,23 m3 dia-1 Geração de eletricidade Por KW hora 0,62 m3
Fonte: NOGUEIRA, 1986 descrito conforme dados da Embrater.
A presença de vapor d'água, CO2 e gases corrosivos no biogás in natura, prejudicam a viabilização de seu armazenamento e produção de energia, assim
com a necessidade de pressões elevadas para o seu envasamento. Equipamentos mais sofisticados, a exemplo de motores de combustão interna, têm vida útil extremamente reduzida. A remoção de água, gás sulfídrico e outros elementos através de filtros e dispositivos de resfriamento, condensação e lavagem é imprescindível para a viabilidade de uso a longo prazo ( KUNZ et al., 2003).
Segundo Nogueira (1986), o volume de biogás produzido por unidade de peso de matéria orgânica é variável, e depende de diversos fatores como temperatura, tipo de biodigestor e, fundamentalmente, tipo de material orgânico empregado. A Tabela 3 apresenta alguns valores de produtividade de biogás.
Tabela 3 – Alguns valores de produtividade de biogás
Material Produtividade (m3 kg-1)
Esterco bovino fresco 0,04
Esterco de galinha seco 0,43
Esterco suíno seco 0,35
Resíduos vegetais seco 0,30
Residuos de matadouro (úmido) 0,07
Lixo urbano 0,05
2.3.2.3. Biofertilizante e composto
Há milênios a matéria orgânica, é considerada como importante fator de fertilidade dos solos.
A matéria orgânica do solo, devido ao seu papel vital na manutenção da qualidade do solo, é fator chave nas modernas práticas de produção agrícola sustentável. A conservação e o aumento do húmus no solo exercem efeitos benéficos no suprimento dos nutrientes para as plantas, na estrutura e na compactabilidade do solo, e na capacidade de retenção de água.
O biofertilizante representa a adição de microorganismos e seus metabólitos e de compostos orgânicos e inorgânicos com efeito sobre a planta e sua população epifítica, quando pulverizada na parte aérea (TRATCH, 1996).
De acordo com a Tabela 4, a matéria orgânica proveniente do tratamento dos efluentes é um insumo que pode influenciar positivamente algumas características do solo, melhorando sua sustentabilidade com reflexos ambientais imediatos, como a redução da erosão e a conseqüente melhoria da qualidade dos recursos hídricos.
A matéria orgânica influi ainda sobre: o fornecimento de ácidos orgânicos e álcoois, durante sua decomposição, que servem de fonte de carbono aos microrganismos de vida livre, fixadores de nitrogênio, e possibilitam, portanto, sua fixação; o fornecimento de possibilidade de vida aos microrganismos, especialmente os fixadores de nitrogênio, que produzem substâncias de crescimento, como triptofano e ácidos indolacético, com efeitos muito positivos sobre o desenvolvimento vegetal.
Assim como na alimentação dos organismos ativos da decomposição, que produzem antibióticos para proteger as plantas de enfermidades; o fornecimento de substâncias como fenóis, uma vez que a matéria orgânica é um heterocondensado de substâncias fenólicas, que contribuem não somente para a respiração e a maior absorção de fósforo, mas também para a sanidade vegetal (SOUZA, 2005)
Tabela 4 – Propriedades gerais do húmus e seus efeitos associados no solo.
Propriedades Características Efeitos no solo
Cor A típica coloração escura é causada
pela M.O1.
Facilita o aquecimento
Retenção de água A M.O pode reter até 20 vezes seu
peso em água
Diminui os efeitos da seca
Combinação com minerais de argila
É agente cimentante das partículas do solo na formação dos agregados
Facilita a penetração de água, troca de gases e dificulta a erosão
Quelação Forma complexos estáveis c/ Mn²+,
Cu²+, Zn²+ e outros cátions
polivalentes
Aumenta a disponibilidade de micronutrientes para as plantas e pode fixar metais pesados
Solubilidade em água A M.O é insolúvel devido à sua
associação com a argila. E também cátions bi e trivalentes são insolúveis com a M.O
Pouca matéria orgânica é perdida por lixiviação
Efeito tampão Apresenta efeito tampão Ajuda a manter uma reação
estável e uniforme no solo
Troca catiônica A acidez total de frações isoladas
do húmus varia de 300 a 1400 molc/kg
Incrementa a C.T.C.2 do solo.
De 20 a 70% da C.T.C. do solo é originada M.O
Mineralização A decomposição da M.O produz
CO2, NH+4, NO-3, PO4-3,SO4 além
de micronutrientes
Fonte de nutrientes para as plantas
Combinação com xenobiótico Afeta a biodiversidade, e a
persistência de pesticidas
Imobiliza substâncias tóxicas
Fonte de energia Contém compostos que podem
fornecer energia a microorganismos e para a mesofauna
Estimula a vida microbiana, reduzindo o risco de pragas e doenças. Produz antibióticos e certos ácidos fenólicos que podem aumentar a resistência a ataques patogênicos. Certas enzimas produzidas por microorganismos podem solubilizar nutrientes
A qualidade do fertilizante é função, principalmente, do tipo de substrato e da maneira com que se desenvolve o processo a que determinado substrato é submetido.
3.1. Descrição do Local
Este trabalho foi realizado no Laboratório de Biodigestão Anaeróbia da Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias (FCAV) – Campus de Jaboticabal, da Universidade Estadual Paulista (UNESP).
O Campus de Jaboticabal situa-se geograficamente entre as coordenadas 21º15’22’’ S; 48º18’58’’ W e altitude média de 575 metros.
O clima da região, segundo a classificação KÖPPEN é Cwa, isto é, subtropical úmido, seco no inverno e com chuvas no verão, com precipitação anual em torno de 1400 mm e temperatura média anual próxima de 22,2ºC.
Os resíduos utilizados foram coletados no Abatedouro e Frigorífico, situado na cidade de Lins - SP, a 180 km de Jaboticabal.
3.2. Definição do experimento
3.2.1. Ensaio 1 – Avaliações dos resíduos
Foram conduzidas leiras de compostagem com a fração sólida constituída de conteúdo ruminal do sistema de tratamento de efluentes de abatedouro de bovinos, em duas estações do ano, verão e outono, ambos os ciclos com a confecção de duas leiras, medindo inicialmente 0,60m de altura, 1,5m de largura e 2,0m de comprimento, com auxilio de uma caixa com as mesmas dimensões, dispostas em pátio coberto.
Foram feitas ao longo da compostagem a caracterização dos sólidos totais (ST), sólidos voláteis (SV), carbono orgânico, quantificação dos teores de nutrientes nitrogênio (N), fósforo (P), potássio (K), cálcio (Ca), magnésio (Mg), cobre (Cu), ferro (Fe), manganês (Mn) e zinco (Zn), além de sódio (Na).
3.2.1.1. Condução das leiras
Para a condução deste ensaio foram utilizados os resíduos sólidos, conteúdo ruminal, coletados após a peneira (P4 conforme Figura 9) no sistema de tratamento do efluente do abatedouro de bovinos. O material foi transportado para o Departamento de Engenharia Rural, em tambores plásticos lacrados, conforme Figura 6.
Figura 6: Forma de transporte dos resíduos, para confecção da leiras.
houve formação de chorume apenas na primeira semana de compostagem, decorrente da alta umidade do dejeto, pois as leiras foram manejadas em pátio coberto, ficando protegidas da chuva. Efetuaram-se medições diárias de temperatura, em três pontos na porção central das leiras.
O peso e o volume do material foram determinados semanalmente, a fim de representar a redução de volume das leiras durante o processo de compostagem, conforme Figura 7.
Figura 7 – Caixa utilizada para determinação do volume das leiras.
Ao termino da compostagem o material curado foi peneirado com peneira de malha 1x1 cm e pesado separadamente, para avaliação do rendimento do composto. As proporções de resíduo que passou pela peneira e que ficou retido estão apresentadas na Figura 8.
3.2.1.2- Potencial para combustão
Com os resíduos “in natura” previamente secos foram feitas
determinações do poder calorífico superior, com agregação de 0%, 10%, 20%, 30% e 40% de gordura produzido no processo de abate de bovinos.
3.2.1.3. Determinações
3.2.1.3.1. Teores de sólidos voláteis e totais
Na determinação dos teores de sólidos totais,B as amostras de dejetos, foram acondicionadas em cadinhos de porcelana previamente tarados, pesados para a obtenção do peso úmido (Pu) do material e após isto, levados à estufa com circulação forçada de ar, à temperatura de 55ºC até atingir peso constante, sendo a seguir resfriados e novamente pesados em balança com precisão de 0,01g, obtendo-se então o peso seco (Ps). O teor de sólidos totais foi determinado segundo metodologia descrita por APHA (1995).
Para a determinação de sólidos voláteis, o material já seco em estufa, resultante da determinação dos sólidos totais, foi levado à mufla em cadinhos de porcelana e mantido à uma temperatura de 575ºC por 2 horas, após queima inicial com mufla parcialmente aberta e, em seguida, após o resfriamento, o material resultante foi pesado em balança analítica com precisão de 0,0001 g, obtendo-se o peso das cinzas ou matéria mineral. O teor de sólidos voláteis foi determinado segundo metodologia descrita por APHA (1995).
3.2.1.3.2. Digestão para quantificação de minerais
O método é baseado na digestão total da matéria orgânica com ácido
sulfúrico (H2SO4) e peróxido de hidrogênio (H2O2) a 50%, utilizando-se do digestor
Foram efetuadas a digestão, de 0,5 g da amostra, com 10 ml de ácido
sulfúrico fumegante (H2SO4), e posterior adição de 10 ml de peróxido de hidrogênio
(H2O2) a 50% até a temperatura de a 430ºC, obtendo um líquido translúcido (composto
somente pela fração inorgânica, pois a orgânica foi completamente digerida). No extrato
foram determinados os teores de N, P, K, Ca, Mg, Co, Fe, Cu, Zn, Mn e Na, segundo
BATAGLIA et al. (1983).
O nitrogênio foi determinado através da utilização do destilador
micro-Kjeldahl, conforme metodologia descrita por SILVA (1981). Os teores de fósforo
foram determinados pelo método colorimétrico (MALAVOLTA, 1991), utilizando-se
espectrofotômetro HACH modelo DR-2000.
As concentrações de K, Ca, Mg, Fe, Cu, Zn, Mn e Na foram determinadas em espectrofotômetro de absorção atômica modelo GBC 932 AA.
3.2.1.3.3. Carbono orgânico
Este método fundamenta-se na oxidação da matéria orgânica por mistura sulfo-crômica (H2SO4/ K2Cr2O7), utilizando-se do próprio calor formado na reação
como fonte calorífica, como mostra a Equação (XIV).
O H CO SO
Cr SO
H C O Cr
H2 2 7 3 6 2 4 2 2( 4)3 3 2 8 2
2 + + → + + Eq. (XIV)
O excesso do agente oxidante, restante dessa reação, foi determinado por titulação, com sulfato ferroso (FeSO4.7H2O), como mostra a Equação
(XVII), detectando-se o ponto final da titulação com ponto de viragem de azul, pela adição do indicador difenilamina, para verde.
O H Fe
Cr Fe
H O
Cr2 72−+14 + +6 2+ →2 3+ +6 3+ +7 2 Eq. (XVII)
3.2.1.3.4. Nitrogênio
O nitrogênio total foi determinado pelo método clássico de Kjeldahl, que compreende duas etapas: (1) a digestão da amostra em meio ácido para converter
oNorg. e o Namoniacal (
+ −NH4
N ) para a forma de Sulfato de amônio ((NH4)2SO4), ou seja, a
íon amônio (NH+
4), conforme descrito em 3.3.2.2. (2) determinação do N-NH
+
4 no
digerido, após a destilação com álcali.
O sulfato de amônio resultante da digestão é aquecido com uma base (NaOH), desprendendo amônia (NH3), como mostra a reação representada pela Equação
(XVIII).
O H NH HO
NH4+ + − ↔ 3 + 2 Eq. (XVIII)
O H O HB NH BO H
NH3+4 3 3 → 4 4 7 +5 2 Eq. (XIX)
3 3 4 2 4 2 4 2 7 4
4 10 ( ) 8
2NH BO +H SO + H O→ NH SO + H BO Eq. (XX)
A determinação da amônia (NH3) fixada na solução de ácido bórico
(H3BO3), como representada na Equação (XIX), foi realizada pela titulação com solução de
ácido sulfúrico padronizado (H2SO4, 0,02N), representada pela Equação (XX),
detectando-se o ponto final da titulação com ponto de viragem de rosa, pela adição de uma mistura de vermelho de metila e verde de bromocresol, para azul.
3.2.1.3.5. Fósforo
Em solução diluída de ortofosfato obtida por digestão total da amostra, conforme descrito em 3.3.2.2, o molibdato de amônio tetrahidratado ((NH4)6 MO7
O24) reage, em condições ácidas, formando ácido molibdofosfórico que na presença de
